JP2000268958A

JP2000268958A - 有機ｅｌ素子

Info

Publication number: JP2000268958A
Application number: JP11066943A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Saito; 広明斎藤; Keiichi Kohama; 恵一小浜
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の有機ＥＬ素子よりも発光色の色選択の
自由度を高くする。【解決手段】発光層１８に、正孔輸送層１６から発光
層１８へ輸送される正孔の一部の通過を阻止するととも
に、陰極層２４側から注入された電子を陽極層１２側へ
輸送する機能を併せ持たせ、かつ正孔輸送層１６に、発
光層１８により陰極層２４側への移行が阻止された正孔
と発光層１８から輸送された電子との再結合に伴って発
光する機能を併せ持たせる。正孔輸送層１６においても
正孔と電子との再結合が起こりやすくなり、発光が効率
的に行われるようになる。その結果、発光層１８と正孔
輸送層１６とを発光させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光表示パネルなど
の発光素子に用いることができる有機ＥＬ素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＩＴＯ（インジウム・ティン
・オキサイド）などの透明導電材料からなる透明な陽極
層と、Ｍｇ−Ａｇなどからなる陰極層との間に、有機質
の蛍光材料を含む発光層と、該発光層に正孔を輸送する
正孔輸送層とを含む有機層が備えられている有機ＥＬ素
子がある。こうした有機ＥＬ素子では、次の機構で発光
が起こることが知られている。

【０００３】先ず、陽極層から正孔が有機層へ注入され
るとともに、陰極層から電子が有機層へ注入される。発
光層にそれぞれ移行してきた正孔及び電子はそこで再結
合して、エネルギーを放出する。発光層に含まれている
蛍光材料は、その放出されたエネルギーを吸収して励起
するが、直ちに励起状態から基底状態に戻る。このと
き、励起状態のエネルギー準位と基底状態のエネルギー
準位との差に相当するエネルギーが、光エネルギーとし
て放出される。こうして発光層の外部に放出された光エ
ネルギーは、陽極層を透過して、発光として視認され
る。

【０００４】一般的には、透明基板上に陽極層が形成さ
れ、透明基板を通じて発光させている。また、多くの有
機ＥＬ素子では、陽極層から注入される正孔や陰極層か
ら注入される電子といったキャリアが発光層に輸送され
やすくなるように、陽極層と発光層との間に正孔を輸送
する正孔輸送層が設けられていたり、陰極層と発光層と
の間に電子を輸送する電子輸送層が設けられている。

【０００５】こうした従来の有機ＥＬ素子には、発光層
に用いる材料よりＨＯＭＯ準位が低い材料を電子輸送層
に用いることにより、正孔が発光層から電子輸送層へ移
行することを阻止しているものがある。この有機ＥＬ素
子では、発光層に正孔が（完全ではないにしても）閉じ
込められるため、その層で正孔と電子との衝突する確率
が高くなって、正孔と電子との再結合が起こりやすくな
る。その結果、発光層が効率的に発光することができ
る。

【０００６】ところで、近年、光表示パネルなどにおい
ては、その画像を色彩豊かに表示できるように発光色の
色選択の自由度が高い有機ＥＬ素子が求められている。
こうした要望に対し、発光層に複数の種類の色素（ドー
パント発光材料）をドープすることにより、発光される
光の色を要求される色に調節することができる有機ＥＬ
素子が提案されている（特開平９−１７６６３０号公報
などで開示）。また、複数の層に異なる種類のドーパン
ト発光材料をそれぞれドープすることにより、複数の発
光層を形成して発光色の調節を行えるようにした有機Ｅ
Ｌ素子もある。

【０００７】他方、発光層とは別に、電子の輸送と発光
の両方の機能を併せ持つ電子輸送層を形成することによ
り、発光色の調節を行えるようにした有機ＥＬ素子もあ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、一つの
層に複数の種類のドーパント発光材料がドープされた有
機ＥＬ素子においては、要求される色を出すために、各
ドーパント発光材料の濃度及び分散形態を最適化する必
要がある。しかし、それらの最適化の調整は必ずしも容
易であるとは言えず、発光色の色選択の自由度は用途に
よっては高くすることが難しいこともある。また、複数
の層に異なる種類のドーパント発光材料をそれぞれドー
プすることにより複数の発光層を形成したり、発光層と
電子輸送層とを発光させるものでも、有機ＥＬ素子の用
途によっては発光色の色選択の自由度を十分に高くする
ことができないこともある。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、従来の有機ＥＬ素子に対し、さらに発光色の色選
択の自由度を容易に高くすることができる有機ＥＬ素子
を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の請求項１に記載の有機ＥＬ素子は、陽極層と陰極層
の間に、発光層と該発光層に正孔を輸送する正孔輸送層
とを含む有機層が備えられている有機ＥＬ素子におい
て、該発光層は、該正孔輸送層から該発光層へ輸送され
る正孔の一部の通過を阻止するとともに、該陰極層側か
ら注入された電子を該陽極層側へ輸送する機能を併せ持
ち、かつ該正孔輸送層は、該発光層により陰極層側への
移行が阻止された正孔と該発光層から輸送された電子と
の再結合に伴って発光する機能を併せ持つことを特徴と
する。

【００１１】上記課題を解決する本発明の請求項２に記
載の有機ＥＬ素子は、請求項１に記載の有機ＥＬ素子に
おいて、前記正孔輸送層が、正孔を輸送することが可能
な有機材料にドーパント発光材料がドープされて形成さ
れていることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】（作用・効果）本発明の有機ＥＬ
素子では、発光層が、正孔輸送層から発光層へ輸送され
る正孔の一部の通過を阻止するとともに、陰極層側から
注入された電子を該陽極層側へ輸送する機能を併せ持つ
ため、発光層の通過を阻止された正孔が正孔輸送層に閉
じこめられる。その結果、正孔輸送層において、正孔と
電子との衝突する確率が高くなり、正孔と電子との再結
合が起こりやすくなる。このとき、阻止されずに発光層
に移行してきた正孔の残部は、陰極層側から発光層に輸
送されてきた電子と再結合する。その結果、発光層で発
光が起こる。

【００１３】一方、正孔輸送層は、発光層の通過が阻止
された正孔と発光層から輸送された電子との再結合に伴
って発光する機能を併せ持つため、前述のように正孔と
電子との再結合が起こりやすくなることにより、発光が
効率的に行われるようになる。このように本発明の有機
ＥＬ素子では、発光層と正孔輸送層とを同時に発光させ
ることができる。それゆえ、一つの層に複数の種類のド
ーパント発光材料をドープしたり、複数の層に異なる種
類のドーパント発光材料をドープしなくとも、発光層と
正孔輸送層との複数の層からそれぞれ異なる色の光を発
光させることができる。また、一つの層に複数の種類の
ドーパント発光材料をドープしたり、複数の層に異なる
種類のドーパント発光材料をドープして複数の色の光を
発光することができる有機ＥＬ素子に適用すれば、それ
ら複数の発光色に正孔輸送層による発光色を加えること
ができ、発光色の種類をさらに増やすことができる。

【００１４】従って、本発明の有機ＥＬ素子によれば、
従来の有機ＥＬ素子に対し、さらに発光色の色選択の自
由度を容易に高くすることができる。それゆえ、本発明
の有機ＥＬ素子を表示パネルに用いれば、その画像をさ
らに容易に色彩豊かに表示することができるようにな
る。（実施の形態）本発明の有機ＥＬ素子では、その積層形
態は発光層の他は特に限定されるものではない。例え
ば、透明基板上に、ＩＴＯなどの透明導電材料からなる
透明な陽極層と、前記正孔輸送層と、前記発光層と、Ｍ
ｇ−Ａｇなどからなる陰極層とが順に形成された構造形
態であってもよいし、その逆の順に形成された構造形態
であってもよい。なお、後者の構造形態では、基板に透
明であるものを用いる必要はない。

【００１５】陽極層については、その材料で特に限定さ
れるものではないが、仕事関数の高い材料を用いること
が好ましい。仕事関数の高い材料からなる陽極層は、正
孔を放出しやすく、正孔を効率よく注入することができ
る。こうした陽極層の透明な透明導電材料としては、Ｉ
ＴＯの他にＡＺＯ（Ａｌ添加ＺｎＯ）やＳｎＯ₂なども
挙げることができる。ここに挙げたいずれの材料からな
る層も、スパッタリング法などの蒸着法によって形成す
ることができる。

【００１６】陰極層についても、その材料で特に限定さ
れるものではないが、仕事関数の低い材料を用いること
が好ましい。仕事関数の低い材料からなる陰極層は、電
子を放出しやすく、電子を効率よく注入することができ
る。こうした陰極層の材料としては、Ｍｇ−Ａｇの他に
Ａｌなどの導電性金属を挙げることができる。ここに挙
げたいずれの材料からなる層も、スパッタリング法など
の蒸着法によって形成することができる。

【００１７】ここで、陽極層をＭｇ−Ａｇなどの不透明
な導電材料から形成したり、陰極層をＩＴＯなどの透明
導電材料から形成してもよいが、現状の材料では仕事関
数の点からあまり好ましいとは言えない。一方、発光層
は、キャリア注入性が高く、ＨＯＭＯ準位が正孔輸送層
を形成する材料よりも低い材料から形成することが好ま
しい。また、正孔輸送層は、正孔移動度が高くかつイオ
ン化ポテンシャルの低い材料から形成することが好まし
い。例えば陽極層がＩＴＯよりなる場合、発光層及び正
孔輸送層には、仕事関数から４．９ｅＶ以上のＨＯＭＯ
準位を有する材料を用いることが好ましい。

【００１８】特に、正孔輸送層には、ＨＯＭＯ準位が
４．９〜５．５ｅＶ程度の材料を用いることが好まし
い。こうした材料として、化学式１に示すトリフェニル
ジアミン四量体（５．１ｅＶ）などの第３級アミン誘導
体や、ＭＴＤＡＴＡ（５．０ｅＶ）、ヒドラゾン、ポリ
ビニルカルバゾール（ＰＶＣｚ；５．４ｅＶ）などを挙
げることができる。また、バンドギャップが２．５〜
３．５ｅＶの材料を用いれば、短波長域（〜５００ｎ
ｍ）の光（青色域の光）を発光させることができるよう
になる。さらに、正孔輸送層は、発光層が効率よく発光
できるように、電子のブロック層となることが好まし
い。

【００１９】

【化１】

【００２０】また、発光層には、ＨＯＭＯ準位が５．８
〜６．５ｅＶ程度の材料を用いることが好ましい。ま
た、バンドギャップが２．５〜３．５ｅＶの材料を用い
れば、短波長域（〜５００ｎｍ）の光（青色域の光）を
発光させることができるようになる。こうした材料とし
て、化学式２に示すジスチリルビフェニル誘導体（ＤＰ
ＶＢｉ）や、化学式３に示すアルミニウムオキシン誘導
体などを挙げることができる。

【００２１】

【化２】

【００２２】

【化３】

【００２３】ところで、発光層及び正孔輸送層の層厚に
ついては特に限定されるものではないが、それらの層厚
によって発光色が大きく変わってくるような場合には、
それぞれ適切に層厚を選択することが好ましい。他方、
陽極層と正孔輸送層との間に正孔注入層を介装するとと
もに、陰極層となる電極層と発光層との間に電子注入層
や電子輸送層などを介装することが好ましい。これらの
層も、陽極層及び陰極層に対して仕事関数の整合性をと
りやすくなるように、それぞれ適切なＨＯＭＯ準位及び
ＬＵＭＯ準位を有する材料を用いることが好ましい。

【００２４】正孔注入層は、銅フタロシアニン（ＣｕＰ
ｃ）や、ＶＯ_X、ＭＯ_X、ＲｕＯ_Xなどから形成すること
ができる。例えば陽極層がＩＴＯよりなる場合、正孔注
入層にも、仕事関数から４．９ｅＶ以上のＨＯＭＯ準位
を有する材料を用いることが好ましい。こうした正孔注
入層の材料として、例えば銅フタロシアニン（５．０ｅ
Ｖ）を挙げることができる。

【００２５】一方、電子注入層はＬｉＦなどから形成す
ることができる。また、電子輸送層の材料としては、キ
ャリア注入性が高く、第２発光層のバンドギャップと同
等もしくは０．５〜１．０ｅＶ程度狭い材料を用いるこ
とが好ましい。こうした材料としては、化学式４に示す
アルミニウムキノリノール錯体（Ａｌｑ₃）を挙げるこ
とができる。

【００２６】

【化４】

【００２７】以上の有機層を構成する各層は、真空蒸着
法、ラングミュアブロジェット蒸着法、有機分子線エピ
タキシ法など公知の蒸着方法を用いてそれぞれ形成する
ことができる。また、発光層及び正孔輸送層の他の各層
の厚さについても特に限定されるものではなく、所望の
発光特性が得られるようにそれぞれ適切に選択する。本
発明の有機ＥＬ素子においては、前記正孔輸送層が、正
孔を輸送することが可能な有機材料にドーパント発光材
料がドープされて形成されていることが好ましい。こう
した有機ＥＬ素子においては、前記正孔輸送層が、正孔
を輸送する有機材料にドーパント発光材料がドープされ
て形成されているため、ドーパント発光材料を選択する
だけで容易に正孔輸送層の発光色を選択することができ
るようになる。また、ドーパント発光材料の濃度を適切
に調節することにより、正孔輸送層の発光色の発光輝度
などを調整することができる。

【００２８】従って、この有機ＥＬ素子によれば、さら
に発光色の色選択の自由度を容易に高くすることができ
る。それゆえ、本有機ＥＬ素子を表示パネルに用いれ
ば、その画像をさらに容易に色彩豊かに表示することが
できるようになる。本有機ＥＬ素子では、正孔を輸送す
る有機材料としてトリフェニルジアミン誘導体を用いる
ことができる。また、前記ドーパント発光材料として、
例えばＤＣＭや、ナイルレッド（化学式５）、ペリレン
誘導体を用いれば、正孔輸送層で赤色光を発光させるこ
とができるようになる。例えば、発光層をＤＰＶＢｉか
ら形成する場合、前記赤色光ドーパントには、発光層か
ら発せられる青色光を消光しないように、主にＥＬピー
ク波長の５８０〜６５０ｎｍ程度の赤色光を発するもの
を適切な濃度で含有させるとともに、正孔輸送層の層厚
を適切に選択することが好ましい。

【００２９】

【化５】

【００３０】なお、有機材料にドーパント発光材料をド
ープする方法については特に限定されるものではなく、
公知のドープ方法を用いることができる。ところで、本
発明の有機ＥＬ素子においては、正孔輸送層から発光層
に移行した正孔が全て発光層で再結合するとは限らず、
その一部は電子輸送層に移行する可能性もある。先に例
示したＤＰＶＢｉよりなる発光層では、正孔輸送層から
移行してきた正孔の一部が電子輸送層へ移行していく。

【００３１】ここで、電子輸送層が、発光層から移行し
てきた正孔と、陰極層側から輸送された電子との再結合
に伴って発光する機能をもてば、発光層、正孔輸送層及
び電子輸送層の３種類の層を発光させることができる。
こうした電子輸送層としてはは、キャリア注入性が高
く、第２発光層のバンドギャップと同等もしくは０．５
〜１．０ｅＶ程度狭いものが挙げられる。

【００３２】また、発せられる光のスペクトルのピーク
（ＥＬピーク）が５００〜５８０ｎｍ程度の材料から形
成された電子輸送層は、発光層から移行してきた正孔と
陰極層側から輸送された電子との再結合に伴って緑色光
を発光させることができる。こうした材料としてＡｌｑ
₃を挙げることができる。この緑色光を発光する電子輸
送層を、上述したように赤色光を発光する正孔輸送層と
青色光を発光する発光層と組み合わせれば、青色光、赤
色光及び緑色光を混合させて白色光を発光させることが
できる。こうした有機ＥＬ素子は、例えば、トリフェニ
ルジアミン誘導体にナイルレッドがドープされてなる正
孔輸送層と、ＤＰＶＢｉよりなる発光層と、Ａｌｑ₃よ
りなる電子輸送層とから構成することができる。

【００３３】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。（実施例１）本実施例の有機ＥＬ素子は、図１に示すよ
うに、透明ガラスよりなる透明基板１０（板厚１．１ｍ
ｍ）上に形成され、ＩＴＯよりなる陽極層１２（層厚１
５０ｎｍ）と、ＣｕＰｃよりなる正孔注入層１４（層厚
３０ｎｍ）と、トリフェニルジアミン誘導体（ＴＥＬ０
２２）よりなる正孔輸送層１６（層厚５０ｎｍ）と、Ｄ
ＰＶＢｉよりなる発光層１８（層厚３０ｎｍ）と、Ａｌ
ｑ₃よりなる電子輸送層２０（層厚３０ｎｍ）と、フッ
化リチウムよりなる電子注入層２２（層厚０．５ｎｍ）
と、アルミニウムよりなる陰極層２４（層厚１５０ｎ
ｍ）とから構成されるものである。この有機ＥＬ素子
は、次のようにして作製した。［有機ＥＬ素子の作製］先ず、１．１ｍｍの厚さをもつ
透明基板１０を用意し、その透明基板１０上にスパッタ
リング法により陽極層１２を形成した。続いて、陽極層
１２の表面上に、正孔注入層１４、正孔輸送層１６、発
光層１８、電子輸送層２０、電子注入層２２及び陰極層
２４を順にそれぞれ真空蒸着法により形成した。（実施例２）本実施例の有機ＥＬ素子は、正孔輸送層１
６（層厚３０ｎｍ）として、ＤＰＶＢｉの界面から１０
ｎｍのＴＥＬ０２２にナイルレッドをドープして形成し
た他は、実施例１の有機ＥＬ素子と同様にして形成し
た。（比較例１）本比較例の有機ＥＬ素子は、ＤＰＶＢｉよ
りなる発光層１８を形成しなかった他は実施例１の有機
ＥＬ素子と同様にして形成した。なお、この有機ＥＬ素
子では、電子輸送層２０のみで発光が起こる。［各有機ＥＬ素子の評価］上記実施例及び比較例の有機
ＥＬ素子について、室温の環境下で所定の電流密度で駆
動させた。その結果、いずれの有機ＥＬ素子において
も、例えば光表示パネルの発光素子として利用できるの
に十分な発光輝度、発光効率及び外部量子効率が得られ
た。

【００３４】また、各有機ＥＬ素子から発せられた光の
４００〜８００ｎｍの波長領域におけるスペクトル強度
を分光器を用いてそれぞれ測定した。実施例１及び実施
例２の有機ＥＬ素子の測定結果を図２及び図３にそれぞ
れ示す。また、各有機ＥＬ素子から発せられた光のスペ
クトル強度が最大となる波長の大きさ（ＥＬピーク波
長）を表１にそれぞれ示す。

【００３５】一方、各有機ＥＬ素子から発せられた発光
スペクトルの特性をマルチ分光光度計を用いて測定し
た。その測定結果を、ＸＹＺ表色系色度図ＣＩＥ（１９
３１）に照らし合わせた結果、表１に示される色座標を
得た。

【００３６】

【表１】先ず、実施例１及び比較例１の有機ＥＬ素子の各ＥＬピ
ーク波長及び色座標を比較すれば、本発明により緑色か
ら青緑色に発光色を変えることができることがわかる。
また、実施例１及び実施例２の有機ＥＬ素子の各ＥＬピ
ーク波長及び色座標を比較すれば、さらに青緑色から
（緑みの）白色に発光色を変えることができることがわ
かる。

【００３７】さらに、実施例１及び実施例２の有機ＥＬ
素子について、図２及び図３に示した光のスペクトル強
度の変化より、各有機層を構成している層から発光され
ている光のスペクトル強度にそれぞれ分解した。これ
は、あらかじめ有機層を構成している層を単独で発光さ
せたときに得られる発光スペクトルの変化をそれぞれ把
握しておき、実際に測定された光のスペクトル強度の変
化に照らし合わせて、各層の発光の寄与の度合いを計算
により推定することができる。

【００３８】こうして推定された分解結果を図２及び図
３にそれぞれ重ねて示した。なお、図２及び図３では、
実際に測定されたＥＬピーク波長におけるスペクトル強
度を基準（１）として分解結果をそれぞれ示した。実施
例１の有機ＥＬ素子については、図２より、正孔輸送層
１６（ＴＥＬ０２２）、発光層１８（ＤＰＶＢｉ）及び
電子輸送層２０（Ａｌｑ₃）の最大ピーク強度はそれぞ
れ０．６０、０．７２及び０．３５となっており、その
比率は４：５：２程度であることがわかる。

【００３９】一方、実施例２の有機ＥＬ素子について
は、図３より、正孔輸送層１６の最大ピーク強度は、Ｔ
ＥＬ０２２で０．０７、ナイルレッドで０．１０となっ
ていることがわかる。また、発光層１８（ＤＰＶＢｉ）
及び電子輸送層２０（Ａｌｑ₃）の最大ピーク強度はそ
れぞれ、０．２０及び０．９０となっていることもわか
る。従って、それらの比率は、ＴＥＬ０２２：ナイルレ
ッド：ＤＰＶＢｉ：Ａｌｑ₃＝１：１：２：９程度であ
ることがわかる。

【００４０】このように測定された光のスペクトル強度
の分解結果から、正孔輸送層１６にドーパント発光材料
をドープすることにより、全体の発光色を変化させるこ
とができることがわかる。また、発光層１８と電子輸送
層２０との発光の度合いも変化していることがわかる。
この原因は明らかになっていないが、発光層２０の膜厚
が正孔の移動性及びブロック性に大きく影響しているこ
とが考えられる。

【００４１】さらに、実施例２の有機ＥＬ素子におい
て、正孔輸送層１６にドープされるドーパント発光材料
の種類及びその濃度を適切に選択することにより、白色
光を発光することができると考えられる。以上のように
本実施例の有機ＥＬ素子では、一つの層に複数の種類の
ドーパント発光材料をドープしたり、複数の層に異なる
種類のドーパント発光材料をドープしなくとも発光層と
正孔輸送層とを同時に発光させることができる。すなわ
ち、本実施例の有機ＥＬ素子によれば、比較例の有機Ｅ
Ｌ素子に対し、さらに発光色の色選択の自由度を容易に
高くすることができることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の有機ＥＬ素子を概略的に示す縦断
面図である。

【図２】実施例１において、有機ＥＬ素子で発光した
光について、波長とスペクトル強度との関係を示すグラ
フである。

【図３】実施例２において、有機ＥＬ素子で発光した
光について、波長とスペクトル強度との関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１０：透明基板１２：陽極層１４：正孔注入層１
６：正孔輸送層１８：発光層２０：電子輸送層２
２：電子注入層２４：陰極層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極層と陰極層の間に、発光層と該発光
層に正孔を輸送する正孔輸送層とを含む有機層が備えら
れている有機ＥＬ素子において、該発光層は、該正孔輸送層から該発光層へ輸送される正
孔の一部の通過を阻止するとともに、該陰極層側から注
入された電子を該陽極層側へ輸送する機能を併せ持ち、
かつ該正孔輸送層は、該発光層により陰極層側への移行
が阻止された正孔と該発光層から輸送された電子との再
結合に伴って発光する機能を併せ持つことを特徴とする
有機ＥＬ素子。
【請求項２】前記正孔輸送層は、正孔を輸送すること
が可能な有機材料にドーパント発光材料がドープされて
形成されている請求項１に記載の有機ＥＬ素子。